Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10 para la valoración de la calidad del aire

Texto completo

(1)Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales. INTEGRACIÓN Y TEST DE MÓDULOS DE MEDICIÓN DE PARTÍCULAS PM2.5 Y PM10 PARA LA VALORACIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE Autor:. Francisco Pérez Maquieira Tutor:. Yago Torroja Fungairiño Profesor Titular. DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA, INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID Madrid, Febrero de 2018.

(2)

(3) “Pero lo que sí sé, porque lo comprobé, es que un hombre con fe no tiene límite.” Javier Ibarra (2016)..

(4) AGRADECIMIENTOS. En primer lugar, quisiera agradecer a mi tutor, Yago, que me ha ayudado, apoyado y enseñado a lo largo de estos meses de trabajo todo lo que estaba en su mano. Dar las gracias a mi familia (a los que estáis y a los que ya no) y especialmente a mis padres, por todo el apoyo y amor recibido en los momentos malos, y en los no tan malos. He de agradecerles la educación que me han dado, las oportunidades recibidas y el haberme formado como persona. Tengo que agradecer también a todas las personas que me han rodeado durante estos cuatro años, especialmente en estos meses de duro trabajo. Sin vosotros los resultados no hubiesen sido tan satisfactorios como lo han sido. Gracias a los amigos de siempre, que me han acompañado y hecho feliz desde el colegio, y también a los que han llegado más adelante. Gracias a mi clase de M3, de donde me llevo grandes personas, compañeros y amigos, especialmente a Cris, que ha sido mi mejor compañera y amiga en estos últimos años y también a Laura, por todo el apoyo recibido en este proceso, sobre todo en las duras tardes de julio cuando solo quedábamos trabajando nosotros dos. Ha sido un placer estar rodeado de todos vosotros. Gracias a todos, porque sin vosotros no sería quien soy. Francisco Pérez Maquieira..

(5) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. RESUMEN La contaminación atmosférica es un tema de importancia creciente en la actualidad. La sociedad ya conoce sus riesgos para la salud humana y toma medidas, en muchos casos insuficientes, para evitarla. Los ciclistas son uno de los grupos que más padecen sus efectos, especialmente cuando practican este deporte en núcleos urbanos. De aquí surge el objetivo del proyecto. Este no es más que ayudar a este colectivo a minimizar los efectos de la contaminación atmosférica, permitiéndoles conocer en tiempo real y a pequeña escala la cantidad de agentes contaminantes presentes en el entorno. Para ello, se propone la creación de un conjunto de sensores que permitan detectar la cantidad y el tipo de contaminantes a los que un potencial cliente está sometido. Una vez obtenidos estos resultados, se enviarían por Bluetooth al teléfono móvil del usuario, el cual los compartiría con otras personas que posean esta plataforma de detección. Los usuarios del producto formarían parte así de un atisbo de red social, en la cual estarían informados en tiempo real sobre qué zonas de su ciudad están más contaminadas, pudiendo elegir así la ruta de circulación más conveniente. Debido a los requisitos del proyecto, los sensores a utilizar deben ser económicos, ligeros y de reducidas dimensiones, y deben poseer una autonomía considerable. Este Trabajo de Fin de Grado, enmarcado en el proyecto anteriormente descrito, abarca varias de sus etapas. Se trata de la continuación de otro trabajo, en el cual se diseñaron y montaron dos sensores: un sensor de partículas en suspensión, y una plataforma de agentes electroquímicos. El presente documento se centra en el estudio del sensor de partículas. Tiene dos objetivos principales:  . Probar el sensor, el cual no estaba calibrado, y conseguir que realice medidas correctas, clasificando las partículas según su diámetro en PM10 o PM2.5. Conectar el sensor con un smartphone, a través de una aplicación válida para el sistema operativo Android. De esta manera, los resultados obtenidos por el sensor podrán visualizarse a través de un teléfono móvil.. Para la calibración del sensor, en primer lugar se debe estudiar su electrónica, y proponer un montaje, en el cual el dispositivo se conecta a un microcontrolador. Este podrá procesar las señales analógicas provenientes de la salida del sensor. Se decide utilizar una placa Arduino Uno a la que va acoplada una placa de prototipado, a la cual se sueldan los cables del sensor.. Francisco Pérez Maquieira. i.

(6) Posteriormente se debe proponer un software que permita comunicarse con el sensor y obtener los datos de las partículas según su tamaño. En este caso, el sensor utiliza una tecnología láser, por la cual un fototransistor recibe una corriente de intensidad proporcional según el diámetro de partícula. Esta corriente se transforma a tensión, la cual se amplifica y envía a la placa. Aquí llega a través de un pin analógico, obteniéndose un número entre 0 y 1023, correspondiente a su tamaño, tras pasar por el convertidor analógico-digital. Para el procesar esta señal, se diseña un firmware en Arduino que lee el pin analógico y recoge los datos numéricos, agrupándolos en un vector. Aparte de comunicarse con el sensor, el firmware Arduino se comunica con una interfaz gráfica, programada en el entorno de desarrollo Processing. Esta interfaz realiza varias tareas fundamentales: . . . Envía los parámetros del experimento al programa Arduino a través del puerto serie. Se puede elegir a través de barras de control y botones el comienzo y el fin de un experimento, así como el tiempo de ensayo. Recibe los datos del firmware a través del puerto serie. Tras recibirlos, clasifica las partículas según su tamaño. Se obtiene el porcentaje de partículas de diámetro menor que 2.5 µm (PM2.5), las cuales son consideradas como peligrosas, ya que son capaces de penetrar en los pulmones, y las menores que 10 µm (PM10). Muestra los resultados, lo que permite a su vez analizarlos, mediante un gráfico y una representación tridimensional.. En un principio, la interfaz trata de ser lo más genérica posible, ya que no se conocen las condiciones de ensayo que mejor vendrán al sensor, modelos de referencia o resultados. Para completar el otro objetivo del presente trabajo, en el cual deben transferirse datos de manera inalámbrica entre un teléfono móvil y el sensor, se requiere de la tecnología Bluetooth. Se utiliza el módulo Bluetooth HC-05 que, al igual que el sensor, está conectado a la placa. La comunicación entre ambos se realiza mediante el puerto serie, a través de los pines de transmisión y recepción de Arduino (RX y TX, pines de la comunicación UART). Para la comunicación placa – módulo Bluetooth se utiliza el mismo firmware que para la interfaz gráfica, el cual interactúa con la aplicación Android creada. La app, desarrollada también en el entorno Processing, debe estar instalada en el teléfono del usuario, y permite comenzar y visualizar ensayos de una forma sencilla en el propio teléfono. Tras finalizar el desarrollo software, se llevó a cabo el periodo de pruebas y calibración, el cual resultó complicado debido a la falta de referencias con las que compararlo. Inicialmente, se probó individualmente este sensor utilizando la interfaz gráfica, observando si se podían medir, en un principio de forma cualitativa, y más adelante cuantitativamente, las partículas que atraviesan el sensor. Esta calibración individual proporcionó malos resultados.. ii. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(7) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. A pesar de que normalmente, al aumentar la concentración de contaminantes (se utilizó mayormente humo), en una zona cercana al sensor, las medidas del pin analógico aumentaban ligeramente, se observaron los siguientes problemas:   . . Influencia de la luz solar, que aumenta excesivamente los valores de las medidas, formando picos irregulares. Presencia de ruido al mover el sensor de lugar, sobre todo si se coge con la mano. Picos puntuales a la hora de introducir partículas en una zona cercana al sensor. Realmente debería obtenerse una medida más uniforme, que permita ver la evolución del contaminante. Resolución muy baja, ya que las medidas son tan pequeñas que no permiten mostrar cambios en la concentración de partículas.. Aunque se encontraron estos problemas, realmente no se conocía cuál era la evolución de la concentración de partículas, debido a la no existencia de un modelo de referencia. Por esto se decidió comparar el sensor desarrollado, con otro sensor de partículas comercializado, ya calibrado, y que permite obtener resultados fácilmente. Este es el modelo de Honeywell HPMA115S0–XXX. Para comparar ambos sensores se tuvo que realizar otro montaje sobre otra placa Arduino Uno, y desarrollar otro firmware que fuese capaz de comunicarse con el sensor. Tras esto, se modificó la interfaz gráfica realizada en Processing para incorporar este nuevo sensor, y poder analizar ambos sensores al mismo tiempo. Se realizaron por tanto pruebas con ambos sensores funcionando bajo la misma atmósfera contaminada. En estos experimentos se observó que el sensor Honeywell sí funcionaba de una forma lógica, y la variación de sus mediciones en el tiempo era cualitativamente igual a la variación de contaminantes. Por otro lado, el sensor original a estudio seguía obteniendo valores bajos y con poca resolución. Además continuaba viéndose afectado por agentes externos. Tras modificar varios parámetros de su electrónica, los resultados no mejoraron. Por tanto, se concluye que el sensor original a estudio no es adecuado para la medición de partículas PM2.5 y PM10. A pesar de haber variado las condiciones externas e internas del sensor, sus medidas no tenían la suficiente resolución, ni variaban de forma lógica ante cambios en la concentración de contaminantes. Por otro lado, sí se considera que el sensor Honeywell es adecuado para la medición de partículas en suspensión, al menos con la precisión requerida para el proyecto. Además, este sensor es más sencillo de utilizar, y económicamente rentable. Es por esto que se recomienda continuar el proyecto a partir de las medidas de este sensor. En cuanto a la aplicación Android, los resultados han sido correctos, ya que se ha conseguido el objetivo de comunicar el sensor con un teléfono móvil. Próximos objetivos deberían ser aumentar la complejidad de la aplicación, creando una pequeña red social, y mejorar las prestaciones del módulo Bluetooth, optando por versiones BLE (Bluetooth Low Energy). Francisco Pérez Maquieira. iii.

(8) Palabras clave PM, contaminación atmosférica, Arduino, firmware, puerto serie, Honeywell, Processing, interfaz, Bluetooth, Android, red social.. Códigos UNESCO 120317 Informática 120323 Lenguajes de programación 220301 Circuitos 220302 Elementos de circuitos 250902 Contaminación atmosférica 330601 Utilización de la corriente continua 330703 Diseño de circuitos 330801 Control de la contaminación atmosférica 330804 Ingeniería de la contaminación 331107 Instrumentos electrónicos. iv. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(9) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. ÍNDICE DE CONTENIDOS 1.. INTRODUCCIÓN ................................................................1. 1.1.. Motivación ............................................................................................................... 1. 1.2.. Objetivos ................................................................................................................. 3. 1.3.. Antecedentes .......................................................................................................... 4. 1.4.. Metodología y contenido ......................................................................................... 5. 2.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ............................................7. 2.1.. Contaminación ........................................................................................................ 8. 2.1.1.. Contaminación según su escala ....................................................................... 8. 2.1.1.1.. Contaminación global ................................................................................ 8. 2.1.1.2.. Contaminación regional............................................................................. 9. 2.1.1.3.. Contaminación local .................................................................................10. 2.1.2.. Principales contaminantes a escala local ........................................................10. 2.1.2.1.. Monóxido de carbono (CO) ......................................................................10. 2.1.2.2.. Óxidos de nitrógeno (NOx) .......................................................................11. 2.1.2.3.. Dióxido de azufre (SO2) ...........................................................................11. 2.1.2.4.. Partículas en suspensión .........................................................................12. 2.1.3.. Valores límite y normativas .............................................................................14. 2.1.4.. Métodos de detección de partículas ................................................................15. 2.2.. 2.1.4.1.. Métodos gravimétricos .............................................................................15. 2.1.4.2.. Métodos electrostáticos............................................................................17. 2.1.4.1.. Métodos ópticos .......................................................................................17. Comunicaciones entre dispositivos ........................................................................19. 2.2.1.. Redes inalámbricas de transmisión de datos ..................................................19. 2.2.1.1. Caracterización física de las redes inalámbricas ...........................................19 2.2.1.2. Bluetooth.......................................................................................................22 2.2.2.. Comunicación en microprocesadores .............................................................24. 2.2.2.1. Puerto paralelo.............................................................................................25 2.2.2.2. Puerto serie ..................................................................................................25. Francisco Pérez Maquieira. v.

(10) 3.. DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE ..................................29. 3.1.. Sensor de partículas ..............................................................................................31. 3.1.1.. Desarrollo del sensor ......................................................................................31. 3.1.2.. Sensor original ................................................................................................32. 3.1.3.. Diseño del circuito electrónico .........................................................................33. 3.1.3.1. Emisor infrarrojo............................................................................................34 3.1.3.2. Etapa de transimpedancia.............................................................................34 3.1.3.3. Etapas de amplificación y filtrado ..................................................................35 3.1.3.4. Alimentación y conexión ...............................................................................36 3.1.4.. Esquemático ...................................................................................................38. 3.1.5.. PCB y montaje ................................................................................................39. 3.2.. Módulo Bluetooth HC-05 ........................................................................................40. 3.3.. Placa Arduino .........................................................................................................43. 3.3.1.. 4.. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE ...................................47. 4.1.. Entornos de programación .....................................................................................48. 4.1.1.. IDE Arduino.....................................................................................................49. 4.1.2.. IDE Processing ...............................................................................................49. 4.2.. Firmware Arduino ...................................................................................................51. 4.2.1.. Comunicación Arduino – sensor......................................................................51. 4.2.2.. Comunicación Arduino – Processing ...............................................................52. 4.2.3.. Tratamiento de los datos recibidos ..................................................................55. 4.3.. Interfaz gráfica .......................................................................................................57. 4.3.1.. Envío de parámetros a Arduino .......................................................................58. 4.3.2.. Recepción de datos provenientes de Arduino. ................................................61. 4.3.3.. Visualización de los resultados .......................................................................65. 4.3.3.1.. Gráfico .....................................................................................................65. 4.3.3.2.. Representación tridimensional .................................................................68. 4.3.3.3.. Alternancia gráfico 2D – gráfico 3D ..........................................................71. 4.3.4.. Guardado de los experimentos .......................................................................72. 4.3.5.. Visualización de los porcentajes de los contaminantes ...................................75. 4.4.. vi. Conexiones con Arduino .................................................................................45. Aplicación Android .................................................................................................79. 4.4.1.. Conexión con el módulo Bluetooth ..................................................................81. 4.4.2.. Pantalla Error ..................................................................................................84. 4.4.3.. Introducción ....................................................................................................85 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(11) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. 4.4.4.. Comienzo del experimento ..............................................................................87. 4.4.5.. Visualización de los resultados .......................................................................88. 4.4.6.. Muestra de los resultados en detalle ...............................................................90. 5.. PRUEBAS Y RESULTADOS ...........................................93. 5.1.. Pruebas del sensor en solitario ..............................................................................94. 5.2.. Pruebas junto al sensor Honeywell ......................................................................100. 5.2.1.. Firmware Arduino para el sensor Honeywell .................................................102. 5.2.2.. Interfaz gráfica para el sensor Honeywell ......................................................104. 6.. CONCLUSIONES ...........................................................110. 7.. LÍNEAS FUTURAS .........................................................112. 8.. GESTIÓN DEL PROYECTO ..........................................113. 8.1.. Estructura de Descomposición del Proyecto ........................................................113. 8.2.. Planificación temporal ..........................................................................................114. 8.3.. Presupuestos .......................................................................................................115. 8.4.. Impacto social, económico y ambiental ................................................................116. 9. 9.1.. REFERENCIAS ..............................................................117 Referencias de las figuras ....................................................................................119. Francisco Pérez Maquieira. vii.

(12) ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Sensor de partículas Dylos DC1100 [F1]. ............................................................... 4 Figura 2: Sensor de partículas Sharp GP21Y1010AU0F [F2]. ............................................... 5 Figura 3: Proyecciones del cambio de la temperatura en la superficie terrestre en el comienzo y el final del siglo XXI, respecto del periodo 1980-1999 [F3]. ................................ 8 Figura 4: Promedio mundial de la fracción molar en partes por millón de CO2, y en partes por billón de CH4 y N2O, respectivamente [F4]. ................................................................... 9 Figura 5: Número de muertes por partículas en los países más contaminados [F5]. ............13 Figura 6: Esquema de un separador centrífugo o ciclón [F6]. ...............................................16 Figura 7: Esquema de un sedimentador o cámara de gravedad [F7]....................................16 Figura 8: Esquema de un electrofiltro [F8]. ...........................................................................17 Figura 9: Esquema de la espectrometría de difracción por rayos láser [F9]..........................18 Figura 10: Espectro electromagnético [F10]. ........................................................................20 Figura 11: Esquema físico de la interfaz i2C. Son necesarias las resistencias de pull-up desde la alimentación, y condensadores entre líneas [F11]. ................................................26 Figura 12: Esquema de transmisión de datos mediante i2C [F12]. .......................................26 Figura 13: Esquema de comunicación SPI [F13]. .................................................................27 Figura 14: Esquema de la comunicación UART [F14]. .........................................................28 Figura 15: Trama de la conexión UART [F15]. .....................................................................28 Figura 16: Plataforma de medición de partículas. Se puede observar el módulo Bluetooth (izquierda), y el sensor apoyado sobre la placa de prototipado, la cual se introduce a la placa Arduino. ................................................................................................................................30 Figura 17: Vista en detalle del ventilador utilizado (color verde). La tierra de este ventilador se ha soldado de tal forma que se puede conectar y desconectar (flecha amarilla). ............30 Figura 18: Fotografía del sensor Sharp desmontado. Se puede observar la carcasa en la que están montados los diodos (izquierda) y la electrónica original (derecha) [F16]. ..................32. viii. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(13) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. Figura 19: Esquema del circuito electrónico interno del sensor original [F17]. ......................33 Figura 20: Esquema del emisor LED [F18]. ..........................................................................34 Figura 21: Etapa de transimpedancia [F19]. .........................................................................34 Figura 22: Etapa de amplificación y filtrado [F20]. ................................................................35 Figura 23: Esquema de alimentación [F21]. .........................................................................37 Figura 24: Condensadores en paralelo para estabilidad [F22]. .............................................37 Figura 25: Conector del circuito electrónico [F23]. ................................................................37 Figura 26: Esquemático completo del circuito [F24]. ............................................................38 Figura 27: Diseño de la capa superior (izquierda) y el plano de masas (derecha) de la PCB [F25]. ....................................................................................................................................39 Figura 28: Diseño final 3D de la PCB [F26]. .........................................................................39 Figura 29: Módulo Bluetooth HC-05 [F27]. ...........................................................................41 Figura 30: Esquema de conexiones realizado mediante el programa Fritzing. .....................45 Figura 31: IDE de Arduino (izquierda) y Processing (derecha). ............................................48 Figura 32: Flujograma del modo de ensayo manual. ............................................................53 Figura 33: Flujograma del modo de ensayo para ordenador.................................................54 Figura 34: Flujograma del modo de ensayo autónomo. La figura de la derecha representa la función sleep(). .....................................................................................................................55 Figura 35: Función count(). ..................................................................................................56 Figura 36: Función sendBin(). ..............................................................................................56 Figura 37: Interfaz desarrollada en Processing. ...................................................................57 Figura 38: Modos manual, ordenador y autónomo de envío de los parámetros de ensayo. .59 Figura 39: Creación de los objetos de la clase Modo............................................................59. Francisco Pérez Maquieira. ix.

(14) Figura 40: Flujograma de la función actualizar_cronometro(). ..............................................60 Figura 41: Cadena enviada por el puerto serie al pulsar el botón Play manual. ....................60 Figura 42: Sentencias que obtienen el valor del textfield y envían el valor de los parametros por el puerto serie. ...............................................................................................................61 Figura 43: Cadena enviada a través del puerto serie al pulsar el botón Play autónomo. ......61 Figura 44: Declaración del objeto expDb[] de la clase Experiment. ......................................62 Figura 45: Código de la función void serialEvent (Serial puerto), en la que se rellena el objeto expDb[]. ................................................................................................................................63 Figura 46: Flujograma de la función serialEvent (Serial puerto). ...........................................64 Figura 47: Ejemplo de gráfico de un experimento.................................................................65 Figura 48: Declaración del objeto graph de la clase Grafico. ................................................66 Figura 49: Función fill_graph(). .............................................................................................67 Figura 50: Mismo experimento, visualizando todos los puntos (abajo) y ampliado al máximo (arriba). Se observa que arriba pueden quedar puntos sin salir en la pantalla. .....................67 Figura 51: Ejemplo de un experimento visualizado a través de un espectrograma. La imagen de arriba muestra el espectrograma completo y el de abajo ampliado. ................................69 Figura 52: Parte del código del método draw() de la clase Espectrograma. .........................70 Figura 53: Código que modifica los números de la leyenda. .................................................70 Figura 54: Declaración del objeto e de la clase Espectrograma. ..........................................70 Figura 55: Botón Toggle cuando se visualiza el espectrograma (izquierda), y cuando se ve el gráfico (derecha). .................................................................................................................71 Figura 56: Sentencias que determinan si se va a crear un gráfico o un espectrograma. ......71 Figura 57: Botón "Guardar" de la interfaz. ............................................................................72 Figura 58: Parte del código que permite realizar una captura de pantalla en Processing. ....73 Figura 59: Flujograma de la función compruebaGuardar(). ..................................................74. x. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(15) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. Figura 60: Parte de la interfaz dedicada a los contaminantes. Esta figura no representa a ningún ensayo realizado, es un ejemplo en el que se pueden visualizar los distintos colores implementados. ....................................................................................................................75 Figura 61: Declaración de los objetos de la clase Contaminante. .........................................76 Figura 62: Flujograma de la función float actualizar (float valor, boolean is10). ....................77 Figura 63: Petición del teléfono móvil para la activación del Bluetooth. ................................81 Figura 64: Pantalla de selección de Bluetooth. .....................................................................81 Figura 65: Evento OnStart() de la aplicación Android. ..........................................................82 Figura 66: Evento OnActivityResult() de la aplicación Android. ............................................82 Figura 67: Función empieza(), que permite listar todos los dispositivos emparejados. .........82 Figura 68: Función conectaDispositivo() de la aplicación. ....................................................83 Figura 69: Pantalla Error. .....................................................................................................84 Figura 70: Pantalla de introducción a la aplicación. ..............................................................85 Figura 71: Código de la función void puntillismo(). ...............................................................86 Figura 72: Imagen "nat.jpg". [F28] ........................................................................................86 Figura 73: Pantalla de comienzo de experimentos. ..............................................................87 Figura 74: Pantalla de visualización de resultados. ..............................................................88 Figura 75: Flujograma de la función void traducir(). ..............................................................89 Figura 76: Pantalla de visualización en detalle. ....................................................................91 Figura 77: Estado 7. Se crean el gráfico (mediante el objeto g de la clase Grafico) y el espectrograma (por el objeto e de la clase Espectrograma). ................................................91 Figura 78: Cara delantera del sensor, donde se pueden observar las resistencias variables que permiten controlar la intensidad que circula por el LED (rojo) y la ganancia (azul), y la tierra soldada a la carcasa (verde). ......................................................................................94 Figura 79: Ensayo que justifica la soldadura de un cable a la carcasa metálica. ..................95 Francisco Pérez Maquieira. xi.

(16) Figura 80: Experimento utilizando polvo de tiza con un tiempo de medida de 500 ms. ........96 Figura 81: Experimento en una caja de cartón con distintos tiempos de integración. ...........97 Figura 82: Experimento en la caja de cartón, introduciendo polvo de tiza.............................97 Figura 83: Experimento en el exterior de la cafetería de la ETSII-UPM. ...............................98 Figura 84: Experimento realizado por la noche. ...................................................................99 Figura 85: Sensor Honeywell HPMA (izquierda) y su esquema de funcionamiento (derecha) [F29]. ..................................................................................................................................100 Figura 86: Pines de conexión del sensor Honeywell [F30]. .................................................101 Figura 87: Montaje final del sensor Honeywell HPMA junto a la placa Arduino Uno. ..........102 Figura 88: Función void count() del firmware Arduino para el sensor Honeywell. ...............103 Figura 89: Interfaz final con los dos sensores a estudiar funcionando. ...............................104 Figura 90: Creación del nuevo puerto para la comunicación Serial. ...................................105 Figura 91: Parte de la función SerialEvent() en el caso en el que llegan datos a través del puerto Honeywell................................................................................................................106 Figura 92: Experimento con ambos sensores funcionando simultáneamente bajo humo de vela. ...................................................................................................................................107 Figura 93: Experimento tras eliminar el condensador C10 al sensor original. .....................108 Figura 94: Experimento tras eliminar el condensador C14 al sensor original. .....................109 Figura 95: Estructura de Descomposición del Proyecto......................................................113 Figura 96: Diagrama de Gantt. ...........................................................................................114. xii. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(17) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Número de estaciones de medición de contaminantes en las principales ciudades españolas .............................................................................................................................. 2 Tabla 2: Concentración de CO y correlación clínica .............................................................11 Tabla 3: Clasificación de partículas según su tamaño. .........................................................12 Tabla 4: Valores límite de algunos contaminantes recogidos en el BOE ..............................14 Tabla 5: Bandas de frecuencia del espectro radioeléctrico y servicios en España. ...............21 Tabla 6: Clasificación de Bluetooth según potencia. .............................................................23 Tabla 7: Versiones de Bluetooth. ..........................................................................................23 Tabla 8: Algunos comandos AT del módulo HC-05. .............................................................42 Tabla 9: Tipos de placa Arduino existentes y principales características. .............................44 Tabla 10: Conexiones entre los diferentes dispostivos y la placa Arduino. ...........................45 Tabla 11: Colores según la variable v, valor del slider "color" ...............................................68 Tabla 12: Elección de la pantalla correspondiente en la aplicación Android. ........................80 Tabla 13: Transiciones entre pantallas de la aplicación Android...........................................80 Tabla 14: Transiciones de pantalla al pulsar el botón Volver. ...............................................85 Tabla 15: Cadenas enviadas al sensor Honeywell. ............................................................100 Tabla 16: Algunos bytes importantes de la cadena de bytes enviada por el sensor. ..........101 Tabla 17: Precio de los dispositivos electrónicos adquiridos...............................................115 Tabla 18: Precio de las herramientas y programas requeridos. ..........................................115 Tabla 19: Costes de personal del proyecto.........................................................................115. Francisco Pérez Maquieira. xiii.

(18)

(19) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. 1. INTRODUCCIÓN El empobrecimiento de la calidad del aire es un factor a tener en cuenta. La contaminación del aire es un problema medioambiental que afecta considerablemente a la salud humana, tanto en países desarrollados como en aquellos en desarrollo. Se considera contaminación atmosférica a la introducción de cualquier sustancia que modifica las características naturales del aire, que tenga un efecto negativo sobre los seres vivos y el medio ambiente. La mayor parte de esta contaminación es debida al ser humano, por actividades relacionadas con la combustión de gases. Actividades humanas como el transporte en vehículos con motores térmicos o la expulsión de gases desde las chimeneas de fábricas e industrias son buenos ejemplos de tareas realizadas por el hombre que provocan este tipo de contaminación. La importancia de reducir la contaminación atmosférica es visible, debido a los fuertes riesgos para la salud que esta implica. La Organización Mundial de la Salud (OMS) estimó en 2012 que la contaminación atmosférica provoca cada año 3 millones de defunciones prematuras [1]. Esta contaminación provoca asimismo graves problemas medioambientales, que dañan al planeta Tierra. El primer paso para la reducción de contaminantes atmosféricos es conocer si el aire está contaminado, qué tipo de contaminantes posee, y qué porcentaje de estos tiene. Es, por tanto, necesario medir la contaminación que hay en el aire.. 1.1. Motivación Este proyecto surge motivado por el riesgo que supone para la salud de los ciclistas practicar este deporte en vías con alta densidad de tráfico. El daño a la salud de los ciclistas es importante debido a la mayor cercanía de estos a los tubos de escape de los vehículos, una de las principales fuentes de contaminación. Según las mediciones del proyecto Life+Respira, liderado por la Universidad de Navarra, un ciclista puede absorber hasta tres veces más gases tóxicos que el resto de los usuarios de la vía [2]. Para reducir en la medida de lo posible esta exposición a agentes contaminantes, se contemplan opciones como el uso de protecciones como mascarillas o filtros nasales. Estas pueden ser incómodas o incluso llegan a provocar problemas al respirar, por lo que se recurre a una opción mucho más sencilla. Se propone la elección del camino menos. Francisco Pérez Maquieira. 1.

(20) INTRODUCCIÓN contaminado, dentro de las posibilidades que el usuario tenga. Si el ciclista se mantiene lo más separado del tráfico que pueda, la exposición a los gases emitidos será mucho menor. Sin embargo, encontrar este trayecto menos contaminado no es posible en la actualidad, debido a la falta de datos a pequeña escala. Muchas ciudades de España tienen estaciones de medida de contaminantes atmosféricos, como Madrid, que cuenta con 26 estaciones en su Ayuntamiento, o Barcelona, que posee 7. No obstante, el número de estaciones por km2 en las ciudades españolas (Tabla 1) no es suficiente para permitir discernir entre un trayecto u otro a la hora de practicar ciclismo, ya que se requiere una mayor precisión para determinar si el aire de un camino tiene más agentes contaminantes que el del adyacente. Por otra parte, los datos proporcionados por estas estaciones son útiles para informar de una manera global acerca de la contaminación de la ciudad, además de servir para tomar decisiones conjuntas para la reducción de esta.. Ciudad. Número de estaciones. Área (km2). km2/Estación. Madrid. 26. 604.3 km2. 23.24. Barcelona. 7. 101.9 km2. 14.55. Granada. 3. 88.02 km2. 29.34. Sevilla. 7. 140 km2. 20. Bilbao. 8. 41.5 km2. 5.1875. Valencia. 8. 134.6 km2. 16.825. Tabla 1: Número de estaciones de medición de contaminantes en las principales ciudades españolas. Además de la poca cantidad de estaciones existentes en las ciudades españolas, estas tienen otros inconvenientes, como su gran tamaño y peso, y su alto coste, justificado por la alta tecnología que poseen. Estas son dos razones de peso que impiden una mayor implantación de este tipo de estaciones en las ciudades. Las razones expuestas en los anteriores párrafos justifican la creación de este proyecto, el cual consiste en la creación de una plataforma de detección de contaminantes atmosféricos de bajo coste y tamaño pequeño. La idea inicial sería que los ciclistas interesados adquiriesen estos sensores, de modo que puedan conocer el nivel de contaminantes al que están sometidos. Pero la idea no queda ahí, sino que se podría exportar a otros ámbitos más cotidianos, en los que sea interesante medir la contaminación que rodea a la plataforma. Este objetivo estará explicado con mayor detalle en el siguiente apartado.. 2. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(21) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. 1.2. Objetivos Como se introdujo en el apartado anterior, la intención del proyecto es la creación de una plataforma de detección de contaminantes, económica y ligera, de modo que pueda colocarse sin problemas de peso y espacio en cualquier bicicleta. Esta plataforma consiste en un sensor de partículas, que obtiene el nivel de partículas del ambiente, y un sensor de agentes químicos, que recoge los niveles de monóxido de carbono (CO), dióxido de nitrógeno (NO2) y dióxido de azufre (SO2), así como el porcentaje de humedad y temperatura. Estos datos se transfieren vía Blueetooth al Smartphone del usuario. El objetivo final consiste en la comunicación entre usuarios mediante una red social, la cual se actualiza con los datos obtenidos por los sensores de estos. Esta red social debe mostrar el mapa de la ciudad en la que se encuentre el usuario, el cual tendrá los datos de contaminación de cada calle, actualizados mediante los sensores de los usuarios que han pasado por esa zona. En este Trabajo de Fin de Grado se desarrollará parte del proyecto descrito con anterioridad. Se centrará en el análisis, calibración y mejora de un sensor de partículas, el cual ya ha sido desarrollado anteriormente. Además, se realizará la transferencia de datos entre el sensor y el Smartphone vía Bluetooth. Los objetivos del presente Trabajo de Fin de Grado son: . Estudiar los tipos de contaminantes atmosféricos, determinando cuáles tienen una mayor incidencia en la salud humana, concretando en las partículas en suspensión. Este estudio incluye los distintos métodos de detección de partículas. Tras esto se podrá justificar la elección tomada en la creación de este sensor de partículas.. . Estudiar la comunicación entre dispositivos electrónicos, profundizando en el protocolo Bluetooth. Justificar la elección de este tipo de comunicación, y el módulo Bluetooth elegido, a partir de las especificaciones y necesidades del proyecto.. . Realizar un análisis exhaustivo del sensor de partículas desarrollado con anterioridad. Probar este sensor en diferentes atmósferas, ajustando sus medidas y comparando sus resultados con medidas ya calibradas.. . Crear un firmware en el programa Arduino que controle la placa a la que se conecta el sensor, de modo que permita realizar distintos tipos de experimento.. . Diseñar una interfaz gráfica en Processing que permita una modificación rápida y sencilla de los parámetros de experimentación, así como una visualización cómoda de los resultados obtenidos.. . Crear una sencilla aplicación Android que comunique el sensor y el teléfono móvil. A través de esta aplicación se visualizarán los resultados obtenidos por el sensor. Se. Francisco Pérez Maquieira. 3.

(22) INTRODUCCIÓN creará con la intención de que sea predecesora de una aplicación que integre los dos sensores ya construidos, por lo que debe facilitarse el desarrollo del software del otro sensor no analizado en este TFG. . Obtener conclusiones acerca de los resultados obtenidos por la experimentación con el sensor de partículas, y definir la validez o no validez de este sensor para el objetivo principal del proyecto.. 1.3. Antecedentes Como ya se ha explicado en apartados anteriores, la mayoría de los sensores de detección de contaminantes son estaciones fijas de medición. Existen pocos sensores de partículas en el mercado que cumplan las especificaciones requeridas. El sensor final debe tener un tamaño lo suficientemente pequeño como para ser montado en una bicicleta, además de un precio razonable, bajo consumo, y debe proporcionar medidas sencillas. Por lo general, los sensores encontrados tienen un precio demasiado elevado para ser adquiridos por cualquier usuario, ya que incorporan un software de elevada precisión y sensibilidad, así como sofisticadas interfaces que no son necesarias para el objetivo final del proyecto. Un ejemplo de este tipo de sensor de partículas es el Dylos DC1100 pro air quality with PC interface, cuyo precio en la web oficial de la marca es de 289.99$, que sobrepasa con creces el objetivo.. Figura 1: Sensor de partículas Dylos DC1100 [F1].. Por otra parte, se han encontrado varios sensores que sí se ajustan más a las especificaciones requeridas. El más adecuado es el sensor Sharp GP2Y1010AU0F, con un precio de 9.10€ (precio unitario obtenido del distribuidor Farnell), unas dimensiones de 46x30x17.6mm y unos 16 gramos de peso. Este sensor fue reutilizado en un Trabajo de Fin de Grado anterior, conservando su estructura y diodos (receptor y emisor), y cambiando su electrónica por otra basada en un diseño experimental de Texas Instrument. Este circuito electrónico será explicado en el apartado correspondiente a la descripción hardware. 4. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(23) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. Figura 2: Sensor de partículas Sharp GP21Y1010AU0F [F2].. En cuanto a los antecedentes del proyecto, se encontró Life+Respira, un proyecto actualmente en desarrollo, promovido por la Universidad de Navarra, que está probando una serie de sensores de contaminantes en bicicletas de un amplio grupo de voluntarios de la ciudad de Pamplona. El objetivo final de Life+Respira consiste en mapear las zonas más contaminadas de esta ciudad, meta parecida a la que se marca en este proyecto. Debido a que este programa no ha finalizado, todavía no hay ninguna referencia en el mapeo de contaminación en ciudades, por lo que el proyecto se ve inmerso en un ámbito apenas explorado.. 1.4. Metodología y contenido A lo largo del texto, se describirán las fases necesarias para la consecución del presente Trabajo de Fin de Grado. Estos pueden agruparse en cinco partes: .   . Fundamento teórico, capítulo 2. En este apartado se estudian los distintos tipos de contaminación y los diferentes métodos para cuantificarla. Además se habla acerca de las diferentes comunicaciones entre dispositivos, ahondando en la tecnología Bluetooth. Descripción del hardware utilizado, capítulo 3. En este capítulo se profundiza en el sensor a objeto de estudio, el módulo Bluetooth y el microprocesador utilizado. Descripción del software desarrollado, capítulo 4. Se explican aquí los programas realizados tanto en la plataforma Processing como Arduino. Pruebas y resultados obtenidos, conclusiones y líneas futuras, capítulos 5, 6 y 7. En estos apartados se explica cómo se ha experimentado con el sensor y las conclusiones obtenidas, así como posibles proyectos a realizar tras la finalización de este.. Francisco Pérez Maquieira. 5.

(24) INTRODUCCIÓN . Gestión del proyecto, capítulo 8. Se muestra la descomposición del proyecto, la planificación temporal, y un presupuesto estimado de este.. Además se han incluido a lo largo del texto referencias, marcadas por un número entre corchetes, las cuales se pueden observar al final del documento. También se encuentran en este apartado las referencias de las imágenes, marcadas entre corchetes y precedidas por la letra „F‟.. 6. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(25) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Durante el anterior capítulo se ha nombrado repetidamente el concepto de contaminación atmosférica, y se ha dado una definición corta, pero a su vez válida para conocer su significado. La contaminación atmosférica es la introducción de cualquier sustancia que modifica las características naturales del aire, que tenga un efecto negativo sobre los seres vivos y el medio ambiente [3]. Para profundizar en el estudio de la contaminación atmosférica, será básico analizar cuáles son esas sustancias que empeoran la calidad del aire, cuáles son las que más afectan a la población humana y cómo pueden medirse. En este capítulo se resaltarán aquellos puntos que traten sobre las partículas contaminantes, agente que se mide en este Trabajo de Fin de Grado. Dejando este tema de lado, para este Trabajo de Fin de Grado, en el cual se incluye la transmisión de datos vía Bluetooth, es necesario conocer los fundamentos de la transmisión de datos inalámbrica, teniendo en cuenta las formas de comunicación entre dispositivos, los protocolos existentes y los tipos de módulos que permiten esta comunicación. Por consiguiente, se harán dos estudios en profundidad acerca de temas relacionados con este proyecto. Este capítulo se dividirá de la siguiente forma: . . Fundamentos sobre contaminación: - Estudio de la contaminación, principales tipos y fenómenos producidos. - Estudio de los principales contaminantes, causas y efectos. - Obtención de valores límite y regulaciones de los principales agentes. - Descripción de los principales métodos de detección de partículas. Tecnologías de comunicación entre dispositivos: - Estudio de la comunicación inalámbrica, en concreto, del Bluetooth. - Estudio de las diferentes comunicaciones entre microprocesadores.. Francisco Pérez Maquieira. 7.

(26) FUNDAMENTOS TEÓRICOS. 2.1. Contaminación En este apartado se pretende aportar una información que sustente la motivación del proyecto, proporcionando datos que reflejen la importancia de este tema, así como algunas técnicas que ayudan a justificar la realización del trabajo.. 2.1.1.. Contaminación según su escala. Qué tipo de contaminante afecta y cómo este lo hace depende de la escala con la que se mida la contaminación. Como primera clasificación, se divide la contaminación según su área geográfica afectada, diferenciándose así tres tipos: global, regional y local. 2.1.1.1.. Contaminación global. Es aquella que afecta a todo el planeta. Es causante del calentamiento global, incrementando progresivamente la temperatura media del planeta Tierra. Esto produce graves consecuencias para la humanidad, tanto a corto como a largo plazo, entre las que destacan la variación de la disponibilidad del agua o el aumento de desastres naturales. El efecto invernadero es la principal causa del calentamiento terráqueo. Es un fenómeno natural que tiene lugar debido a los gases de efecto invernadero (GEI), que absorben y retienen parte de la energía que la Tierra irradia hacia el exterior, tras haber sido calentada por la radiación solar. El efecto invernadero ha ido creciendo por el incremento de los GEI antropogénicos en la atmósfera, que acentúan la radiación devuelta hacia la Tierra, aumentando su temperatura.. Figura 3: Proyecciones del cambio de la temperatura en la superficie terrestre en el comienzo y el final del siglo XXI, respecto del periodo 1980-1999 [F3].. 8. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(27) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. El vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), óxido nitroso (N2O), metano (CH4) y ozono (O3) son los principales gases de efecto invernadero en la atmósfera terrestre. Además existen otros totalmente producidos por el hombre, como los clorofluorocarbonatos (CFC), que también contribuyen al aumento de la temperatura terrestre. Las emisiones de gases antropogénicos (debidos a la actividad humana) se han multiplicado tras la industrialización, y su ascensión es considerable año tras año.. Figura 4: Promedio mundial de la fracción molar en partes por millón de CO2, y en partes por billón de CH4 y N2O, respectivamente [F4].. 2.1.1.2.. Contaminación regional. Es perjudicial en una región alejada del foco emisor. Su radio de afectación suele ser de unos 100 kilómetros, aproximadamente. Existen principalmente dos fenómenos producidos por esta contaminación [4]: la lluvia ácida y el smog fotoquímico. Lluvia ácida: Es el decremento del pH normal de la lluvia. La lluvia natural tiene un pH de 5.6, debido a la acidificación producida por el CO2 de la atmósfera. Se considera lluvia ácida a aquella con un pH menor a 5. Esta acidificación se produce al combinarse la humedad del aire con iones hidrógeno. Los iones hidrógeno provienen de la reacción del dióxido de azufre (SO2) y los óxidos de nitrógeno (NOx) con el agua de la atmósfera, produciendo así ácido sulfúrico (H2SO4) y ácido nítrico (HNO3). Las principales consecuencias de la lluvia ácida son la acidificación de ríos, lagos y mares, con los correspondientes daños a la fauna y flora marina, la corrosión de infraestructuras y construcciones, y el empobrecimiento de los suelos. Smog fotoquímico: Combinación de contaminantes con determinadas circunstancias climatológicas, generalmente la niebla, que produce nubes de humo en las grandes ciudades. Su nombre viene de la mezcla de dos palabras inglesas: smoke (humo) y fog (niebla), las cuales reflejan su significado. El smog fotoquímico se produce cuando los fotones de la luz solar chocan Francisco Pérez Maquieira. 9.

(28) FUNDAMENTOS TEÓRICOS con moléculas de varios agentes contaminantes en la atmósfera, produciendo reacciones químicas que dan lugar a un ambiente irritante y nocivo, que puede afectar a la salud de las personas produciendo afecciones respiratorias o alergias. Los principales agentes contaminantes son los óxidos de nitrógeno (NOx) y los compuestos orgánicos volátiles (COVs), donde se encuentran los hidrocarburos no quemados que se emiten por los vehículos, así como disolventes o combustibles fácilmente evaporables. Estos forman ácido nítrico, ozono (O3) y nitrato de peroxiacilo (PAN), entre otros compuestos. 2.1.1.3.. Contaminación local. Afecta al aire de una localidad determinada, lo cual depende de la cantidad de contaminantes que este posea y las condiciones meteorológicas del lugar. Está asociada a fenómenos perceptibles por la vista y el olfato con un periodo de permanencia en la atmósfera reducido. A diferencia de las otras dos escalas de contaminación, que tienen consecuencias negativas mayormente a largo plazo, la contaminación local provoca efectos perjudiciales para la salud humana palpables, tanto a largo como a corto plazo. La calidad del aire a nivel local se ve afectada principalmente por los gases de combustión. Estos en su mayoría derivan de fuentes móviles, como vehículos, y fuentes fijas, como industrias, plantas generadoras de energía o calefacciones. Pero no solo los gases de combustión producen contaminación atmosférica local, sino que el material particulado (PM) es otro agente contaminante que requiere atención. A continuación se describirán parte de estos contaminantes locales y sus causas y efectos, ya que esta es la escala en la que se realizarán las mediciones a lo largo del proyecto.. 2.1.2.. Principales contaminantes a escala local. 2.1.2.1.. Monóxido de carbono (CO). El monóxido de carbono [5] es un gas tóxico, inodoro, incoloro e insípido, parcialmente soluble en agua, alcohol y benceno. Es el contaminante del aire más abundante y ampliamente distribuido de los que se encuentran en la capa inferior de la atmósfera, denominada troposfera. Su origen natural principal es debido a la oxidación del metano. Por otro lado, hay varios procesos antropogénicos que dan lugar a grandes cantidades de este gas, como por ejemplo la combustión incompleta del carbono en compuestos que lo contengan (no hay oxígeno suficiente para producir CO2), o la reacción a elevada temperatura entre el CO2 y materiales que contienen carbono. En cuanto a los efectos de este gas, el CO tiene gran peligro para la salud debido a su gran afinidad por la hemoglobina. Esta reacción se denomina carboxihemoglobina, y sustituye al oxigeno de la sangre, impidiendo la circulación de este a través del sistema circulatorio. Los principales síntomas de intoxicación por monóxido de carbono se recogen en la tabla 2.. 10. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(29) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. Concentración de monóxido de carbono Menos de 35 ppm (cigarrillo). Carboxihemoglobina %. Síntomas. 5. Ninguno o cefalea suave. 0.005 % (50 ppm). 10. 0.01 % (100 ppm). 20. 0.02 % (200 ppm). 30. 0.03–0.05 % (300-500 ppm). 40-50. 0.08-0.12 % (800-1200 ppm). 60-70. 0.19 % (1900 ppm). 80. Cefalea leve, disnea de grandes esfuerzos, vasodilatación cutánea Cefalea pulsátil, disnea de moderados esfuerzos Cefalea severa, irritabilidad, fatiga, visión borrosa Cefalea, taquicardia, náuseas, confusión, letargia Coma, convulsiones, falta respiratoria y cardíaca Muerte. Tabla 2: Concentración de CO y correlación clínica. 2.1.2.2.. Óxidos de nitrógeno (NOx). Los óxidos de nitrógeno [6], denominados como NOx, son un grupo de gases compuestos por monóxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2). Además de estos dos gases, que son los únicos que se encuentran en la atmósfera, existen el N2O, N2O3, N2O4 y N2O5. Tanto el NO como el NO2 se introducen al aire urbano mediante la combinación directa de oxígeno y nitrógeno en la combustión a alta temperatura. De este modo se produce el óxido nítrico (NO), el cual se oxida para dar NO2 mediante reacciones fotoquímicas. Las fuentes antropogénicas de emisión más comunes son los escapes de los vehículos motorizados, en especial los motores diesel, y la quema de combustibles fósiles. Ambos gases tienen gran importancia en cuanto a la salud humana se refiere. Además de ser protagonistas en la aparición del smog fotoquímico, provocan serios riesgos para la salud, ya que es una sustancia corrosiva para la piel y el tracto respiratorio. A corto plazo puede originar un edema pulmonar y, tras una exposición prolongada, puede causar cambios irreversibles en el tejido pulmonar.. 2.1.2.3.. Dióxido de azufre (SO2). Es un gas incoloro con un olor irritante característico, no inflamable ni explosivo, y relativamente estable. El SO2 [7] es un intermedio en la producción de ácido sulfúrico en contacto con membranas húmedas. Este ácido, cuya fórmula es H2SO4, es responsable de fuerte irritaciones en los ojos, membranas mucosas y piel. El dióxido de azufre se emite a la atmósfera de forma natural debido a las erupciones volcánicas y a la metabolización anaerobia. La quema de combustibles, en concreto los de Francisco Pérez Maquieira. 11.

(30) FUNDAMENTOS TEÓRICOS baja calidad, y el procesamiento de los minerales son las principales fuentes de emisión de SO2. Se denominan combustibles de baja calidad a aquellos relacionados con el carbón. En los últimos años se ha reducido la emisión de dióxido de azufre a la atmósfera debido a la sustitución de este mineral por combustibles de importación. A pesar de esto, el SO2 sigue siendo el segundo contaminante emitido en mayor cantidad tras el CO. En cuanto a sus efectos perjudiciales, el SO2 es uno de los mayores causantes de la lluvia ácida. Además, es irritante a los ojos, garganta y pulmones, pudiendo producir problemas respiratorios debidos a la exposición a elevadas concentraciones durante cortos periodos de tiempo. El dióxido de carbono es también responsable del conocido “mal de la piedra”, por el cual se deterioran los monumentos históricos, causando manchas y alteraciones morfológicas y fisiológicas a las construcciones.. 2.1.2.4.. Partículas en suspensión. El material particulado o partículas en suspensión (en inglés PM, Particulate Matter), designa a una mezcla compleja de partículas suspendidas en el aire, de origen antropogénico o natural. Presentan una amplia diversidad de tamaños, morfologías y composiciones químicas, que determinan su toxicidad y sus efectos medioambientales. El material particulado suele clasificarse según su tamaño. A pesar de que la forma de las partículas no sea esférica, las partículas en suspensión se distinguen según su diámetro aerodinámico. Así, se propone un equivalente esférico, del cual se mide su diámetro, en micrómetros o micras (µm, 10-6 m). Descripción. Composición. Diámetro según la OMS. Gruesas. Polvo, tierra, depósito. > 2,5 µm. Finas (PM2.5). Aerosoles, partículas de combustión, vapores de compuestos orgánicos condensados y metales. < 2,5 µm. Ultrafinas (PM0.1). Humo de tabaco, polvos y humos metalúrgicos, smog. < 0,1 µm. Tabla 3: Clasificación de partículas según su tamaño.. La mayor parte de las partículas más gruesas PM10 [8], tienen su origen en partículas primarias que provienen de emisiones a la atmósfera debido a causas naturales (incendios forestales, erupciones volcánicas) o humanas (actividades industriales, labores de construcción…). Estas partículas suelen pertenecer a la parte superficial del suelo y las rocas, y tras ir afinándose y disminuyendo su tamaño son levantadas por el viento, introduciéndose a la atmósfera. Debido a su origen, la composición de estas partículas gruesas es similar a la corteza terrestre. Presenta elevados contenidos de aluminio, calcio, silicio y oxígeno, en sales de aluminosilicatos. En el aire cercano a los océanos, estas partículas están compuestas también por cloruro de sodio (NaCl, sal común).. 12. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(31) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. Por otra parte, las partículas finas o PM2.5 [9], suelen ser originadas por partículas secundarias formadas en la atmósfera a partir de un precursor gaseoso (NO x, SO2, COVs, NH3, etc.). Presentan por esta razón un mayor contenido en compuestos orgánicos que las partículas gruesas. Por último, las partículas ultrafinas se forman por nucleación, fase inicial en la cual el gas precursor se convierte en partícula. Estas partículas pueden crecer por condensación, cuando otros gases pasan a estado líquido en la partícula, o coagulación, cuando dos partículas o más se combinan para formar una mayor. Los problemas que provocan las partículas en suspensión son de distintas índoles: . Afectan al balance de la radiación terrestre. Los aerosoles cambian la cantidad de entrada de radiación solar y de radiación de onda larga terrestre saliente, por lo que varía la temperatura.. . Como se ha descrito antes, se consideran tres grupos principales de partículas según su diámetro. Una de las razones de esta clasificación es dividirlas según cómo estas afectan al sistema respiratorio. Las partículas PM10 son capaces de pasar a la garganta, mientras que las de diámetro mayor que 10 micras son filtradas de forma efectiva tras pasar por los vellos nasales. Dentro de las partículas inhalables, las partículas PM2.5 pueden llegar a los pulmones con facilidad, mientras que las ultrafinas son capaces de penetrar en los alvéolos, generando efectos más severos sobre la salud. Al penetrar en los pulmones, el material particulado bloquea y evita el paso del aire. Esto deteriora el sistema respiratorio y cardiovascular, y puede provocar daños al tejido pulmonar, o incluso cáncer. Se ha demostrado que la exposición a partículas contaminantes reduce la esperanza de vida media de la población.. Figura 5: Número de muertes por partículas en los países más contaminados [F5].. Francisco Pérez Maquieira. 13.

(32) FUNDAMENTOS TEÓRICOS . 2.1.3.. Además de por su tamaño, las partículas en suspensión son peligrosas por su composición química, física y biológica. Por ejemplo, el hollín puede absorber sobre su superficie irregular cantidades significativas de sustancias toxicas. Estas partículas pueden generar smog cuando hay niebla.. Valores límite y normativas. Es importante para el proyecto conocer qué cantidad es admisible para los contaminantes descritos, así como las principales normas y regulaciones que propongan la reducción de estos. La normativa española vigente relativa a la mejora de la calidad del aire viene reflejada en el Real Decreto 102/2011 (BOE/2011, 28 de enero). En este artículo se acuerdan los valores límite para la protección de la salud, el nivel crítico para la protección de la vegetación y el umbral de alerta para los diferentes contaminantes atmosféricos. Contaminante Monóxido de carbono (CO). Dióxido de nitrógeno (NO2). Dióxido de azufre (SO2). Partículas en suspensión (PM2.5). Partículas en suspensión (PM10). Periodo de análisis Máxima diaria de las medias cada 8 horas. Valor límite saludable. ppm. 10 mg/m3. 8,11 ppm. Media horaria. 200 µg/m3. 0,0987 ppm. Media anual. 40 µg/m3. 0,0206 ppm. Alerta (horaria). 400 µg/m3. 0,197 ppm. Media horaria. 350 µg/m3. 0,124 ppm. Media diaria. 125 µg/m3. 0,0443 ppm. Alerta (horaria). 500 µg/m3. 0,175 ppm. Media diaria. 25 µg/m3. -. Media anual. 25 µg/m3. -. Media diaria. 50 µg/m3. -. Media anual. 40 µg/m3. -. Tabla 4: Valores límite de algunos contaminantes recogidos en el BOE. 14. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).

(33) Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10. En la tabla 4 se obtiene el valor límite de los principales contaminantes atmosféricos. Este valor, que se obtiene de los documentos oficiales en unidades de densidad, se expresa además en partes por millón (ppm). Para calcularlo, se utiliza la siguiente expresión1:. 2.1.4.. Métodos de detección de partículas. Es importante conocer los distintos métodos e instrumentos que permiten medir la concentración de partículas en el aire, además del tamaño de estas, ya que permitirá justificar el método seleccionado para el presente Trabajo de Fin de Grado.. 2.1.4.1.. Métodos gravimétricos. Un método gravimétrico consiste en un método de muestreo, en el cual una componente de entrada, que puede ser pasiva o activa, entra en un muestreador, de naturaleza muy diversa. Por diferentes principios físicos se obtiene la muestra, quedando separadas las partículas según distintos parámetros, como puede ser su peso o su tamaño. Es vital que en el muestreo de partículas en suspensión se den condiciones isocinéticas. Esto significa que las líneas de corriente del gas de la fuente tienen la misma velocidad que la velocidad de la entrada a la sonda. Por el contrario, la clasificación de partículas no será fiable. Para obtener la masa de la muestra de PM, los métodos más precisos son los métodos extraíbles. Consisten en recolectar un volumen entero de gas y de material particulado, determinando la concentración de la masa de esta muestra. Su inconveniente es la dificultad de encontrar una muestra con velocidades de flujo bajas. La intención del presente trabajo es conocer el tamaño de las partículas, diferenciando entre partículas finas (PM2.5), o gruesas. Existen varios instrumentos de medida que lo permiten [10]: . Filtros: El caudal isocinético atraviesa un filtro donde se retiene el material particulado, según el diámetro que interese. Para obtener la concentración de. 1. Se calcula para T = 273,15 K y P = 1 bar. Mw representa la masa molecular del gas, y R la constante universal de los gases.. Francisco Pérez Maquieira. 15.

(34) FUNDAMENTOS TEÓRICOS. . . material se resta el peso del caudal original y el caudal tras el muestreo, dividiendo entre el volumen total. Colector en cascada: Se fuerza a la corriente de aire a pasar entre placas, aumentando su velocidad. Al llegar a estas placas, las partículas de un diámetro específico o mayores impactarán, quedando adheridas a la pared, recubierta de un sustrato adherente. Mientras tanto, las partículas menores pasarán a la siguiente, donde el diámetro de corte se irá reduciendo. Ciclones: Se somete a la corriente de material particulado a una fuerza centrífuga, de modo que parte de las partículas de un cierto tamaño chocan con las paredes del ciclón, donde son recolectadas. Aquellas de menor tamaño salen del ciclón sin ser recolectadas. Para un mayor rendimiento es conveniente el uso de varios ciclones en serie, de modo que cada uno recoja distintos diámetros de partícula.. Figura 6: Esquema de un separador centrífugo o ciclón [F6].. . Asentadores por gravedad: Un flujo de gas lento recorre una cámara, de forma que las partículas se depositan en un vaso colector debido a la fuerza gravitatoria. Son de fácil construcción, y tienen un bajo coste de inversión y mantenimiento, pero necesitan grandes espacios para su construcción.. Figura 7: Esquema de un sedimentador o cámara de gravedad [F7].. 16. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM).